湍流模型下堆叠芯片温度场分析

李继生　王婷　黄战武

摘 要： 风扇散热的原理是较冷空气流过芯片或PCB板时，通过热对流方法吸收芯片发出的热，变成较热的空气流出，从而达到驱散芯片间热空气的目的。当堆叠在一起的芯片之间有空气匀速流过，且速度[v]较大时，芯片的散热方式主要是热对流，而热传导、热辐射等散热方式可以忽略不计。通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。

关键词： 堆叠芯片； 匀速空气流动； 热分析； 散热； 热对流

中图分类号： TN710?34； TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0134?03

0 引 言

现代电子产品正朝着轻、薄、短、小的趋势发展，随着电子元器件的集成度越来越高，其发热密度也越来越高，相应地电子产品的过热问题也就越来越被关注。如果在电子产品设计过程中不注重散热的设计，元件产生的热流就不能得到很好的控制，最终将给产品工作可靠性带来一定的影响，造成元器件工作不稳定甚至失效。特别是在PCB板元器件布置过程中，热分布问题尤为重要[1?3]。

目前大多采用有限元法分析堆叠芯片的散热问题，文献[4]采用有限元和热网络法，分析了堆叠芯片的结构材料、芯片尺寸、导热系数及传热途径等问题；文献[5]采用最小边界法处理堆叠芯片的边界条件， 分析了芯片的热分布；但是，基于湍流模型的热分析还鲜有人研究。

本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，并结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，从而得到空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。

1 风扇散热基本原理

风扇发出较冷空气（一般为外界温度），进入堆叠芯片间隙通道。由于发热芯片的温度高于外界温度，其热量将通过热传导方式传递给流动空气。流动空气吸收热量后，变成较热空气流出芯片间隙通道，发热芯片的温度因此而降低[6?8]。

2 堆叠芯片与湍流空气模型的建立

5 结 论

本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。

参考文献

[1] 黄艳飞.基于热可靠性的PCB板电子元件优化布局方法研究[D].镇江：江苏大学，2006.

[2] 王欣.热源温度场叠加法在薄壁结构热分析中的应用[J].中国空间科学技术，2006（3）：64?67.

[3] 汪仁和，李晓军.冻结温度场的叠加计算与计算机方法[J].安徽理工大学学报，2003，23（1）：25?29.

[4] 张玮.芯片堆叠中散热分析方法研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[5] 余慧，吴昊.一种堆叠式3D IC的最小边界热分析方法[J].电子学报，2012，40（5）：865?869.

[6] 马忠辉，孙秦，王小军，等.热防护系统多层隔热结构传热分析及性能研究[J].宇航学报，2003，24（5）：543?546.

[7] HAENSCH W. Why should we do 3D integration [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim， USA： ACM/IEEE， 2008： 674?675.

[8] BAUTISTA J. Tera?scale computing and interconnect challenges [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim， USA： ACM/IEEE， 2008： 665?667.

[9] JOYNER J W， MEINDL J D. Opportunities for reduced power dissipation using three?dimensional integration [C]// Proceedings of 2002 International Interconnect Technology Conference. Burlingame， USA： IEEE， 2002： 148?150.

[10] 何瑜.Flotherm在电子设备热分析的应用[J].电子质量，2008（1）：128?130.

[11] 谢德仁.电子设备热设计[M].南京：东南大学出版社，1989.

[12] 马良栋，张吉礼.不同旋转轴对矩形通道内湍流与换热影响研究[J].大连理工大学学报，2010，50（6）：48?50.

摘 要： 风扇散热的原理是较冷空气流过芯片或PCB板时，通过热对流方法吸收芯片发出的热，变成较热的空气流出，从而达到驱散芯片间热空气的目的。当堆叠在一起的芯片之间有空气匀速流过，且速度[v]较大时，芯片的散热方式主要是热对流，而热传导、热辐射等散热方式可以忽略不计。通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。

关键词： 堆叠芯片； 匀速空气流动； 热分析； 散热； 热对流

中图分类号： TN710?34； TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0134?03

0 引 言

现代电子产品正朝着轻、薄、短、小的趋势发展，随着电子元器件的集成度越来越高，其发热密度也越来越高，相应地电子产品的过热问题也就越来越被关注。如果在电子产品设计过程中不注重散热的设计，元件产生的热流就不能得到很好的控制，最终将给产品工作可靠性带来一定的影响，造成元器件工作不稳定甚至失效。特别是在PCB板元器件布置过程中，热分布问题尤为重要[1?3]。

目前大多采用有限元法分析堆叠芯片的散热问题，文献[4]采用有限元和热网络法，分析了堆叠芯片的结构材料、芯片尺寸、导热系数及传热途径等问题；文献[5]采用最小边界法处理堆叠芯片的边界条件， 分析了芯片的热分布；但是，基于湍流模型的热分析还鲜有人研究。

本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，并结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，从而得到空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。

1 风扇散热基本原理

风扇发出较冷空气（一般为外界温度），进入堆叠芯片间隙通道。由于发热芯片的温度高于外界温度，其热量将通过热传导方式传递给流动空气。流动空气吸收热量后，变成较热空气流出芯片间隙通道，发热芯片的温度因此而降低[6?8]。

2 堆叠芯片与湍流空气模型的建立

5 结 论

本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。

参考文献

[1] 黄艳飞.基于热可靠性的PCB板电子元件优化布局方法研究[D].镇江：江苏大学，2006.

[2] 王欣.热源温度场叠加法在薄壁结构热分析中的应用[J].中国空间科学技术，2006（3）：64?67.

[3] 汪仁和，李晓军.冻结温度场的叠加计算与计算机方法[J].安徽理工大学学报，2003，23（1）：25?29.

[4] 张玮.芯片堆叠中散热分析方法研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[5] 余慧，吴昊.一种堆叠式3D IC的最小边界热分析方法[J].电子学报，2012，40（5）：865?869.

[6] 马忠辉，孙秦，王小军，等.热防护系统多层隔热结构传热分析及性能研究[J].宇航学报，2003，24（5）：543?546.

[7] HAENSCH W. Why should we do 3D integration [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim， USA： ACM/IEEE， 2008： 674?675.

[8] BAUTISTA J. Tera?scale computing and interconnect challenges [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim， USA： ACM/IEEE， 2008： 665?667.

[9] JOYNER J W， MEINDL J D. Opportunities for reduced power dissipation using three?dimensional integration [C]// Proceedings of 2002 International Interconnect Technology Conference. Burlingame， USA： IEEE， 2002： 148?150.

[10] 何瑜.Flotherm在电子设备热分析的应用[J].电子质量，2008（1）：128?130.

[11] 谢德仁.电子设备热设计[M].南京：东南大学出版社，1989.

[12] 马良栋，张吉礼.不同旋转轴对矩形通道内湍流与换热影响研究[J].大连理工大学学报，2010，50（6）：48?50.

摘 要： 风扇散热的原理是较冷空气流过芯片或PCB板时，通过热对流方法吸收芯片发出的热，变成较热的空气流出，从而达到驱散芯片间热空气的目的。当堆叠在一起的芯片之间有空气匀速流过，且速度[v]较大时，芯片的散热方式主要是热对流，而热传导、热辐射等散热方式可以忽略不计。通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。

关键词： 堆叠芯片； 匀速空气流动； 热分析； 散热； 热对流

中图分类号： TN710?34； TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0134?03

0 引 言

现代电子产品正朝着轻、薄、短、小的趋势发展，随着电子元器件的集成度越来越高，其发热密度也越来越高，相应地电子产品的过热问题也就越来越被关注。如果在电子产品设计过程中不注重散热的设计，元件产生的热流就不能得到很好的控制，最终将给产品工作可靠性带来一定的影响，造成元器件工作不稳定甚至失效。特别是在PCB板元器件布置过程中，热分布问题尤为重要[1?3]。

目前大多采用有限元法分析堆叠芯片的散热问题，文献[4]采用有限元和热网络法，分析了堆叠芯片的结构材料、芯片尺寸、导热系数及传热途径等问题；文献[5]采用最小边界法处理堆叠芯片的边界条件， 分析了芯片的热分布；但是，基于湍流模型的热分析还鲜有人研究。

本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，并结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，从而得到空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。

1 风扇散热基本原理

风扇发出较冷空气（一般为外界温度），进入堆叠芯片间隙通道。由于发热芯片的温度高于外界温度，其热量将通过热传导方式传递给流动空气。流动空气吸收热量后，变成较热空气流出芯片间隙通道，发热芯片的温度因此而降低[6?8]。

2 堆叠芯片与湍流空气模型的建立

5 结 论

本文通过模拟匀速流动的空气在堆叠芯片中流过的情景，建立了堆叠芯片和匀速流动空气的模型，结合热力学理论，分析了空气流动时板的吸热和温度变化情况，得到了空气匀速流过时堆叠芯片间温度均匀变化的结论，为堆叠芯片的散热提供了理论依据。

参考文献

[1] 黄艳飞.基于热可靠性的PCB板电子元件优化布局方法研究[D].镇江：江苏大学，2006.

[2] 王欣.热源温度场叠加法在薄壁结构热分析中的应用[J].中国空间科学技术，2006（3）：64?67.

[3] 汪仁和，李晓军.冻结温度场的叠加计算与计算机方法[J].安徽理工大学学报，2003，23（1）：25?29.

[4] 张玮.芯片堆叠中散热分析方法研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[5] 余慧，吴昊.一种堆叠式3D IC的最小边界热分析方法[J].电子学报，2012，40（5）：865?869.

[6] 马忠辉，孙秦，王小军，等.热防护系统多层隔热结构传热分析及性能研究[J].宇航学报，2003，24（5）：543?546.

[7] HAENSCH W. Why should we do 3D integration [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim， USA： ACM/IEEE， 2008： 674?675.

[8] BAUTISTA J. Tera?scale computing and interconnect challenges [C]// Proceedings of 2008 Design Automation Conference. Anaheim， USA： ACM/IEEE， 2008： 665?667.

[9] JOYNER J W， MEINDL J D. Opportunities for reduced power dissipation using three?dimensional integration [C]// Proceedings of 2002 International Interconnect Technology Conference. Burlingame， USA： IEEE， 2002： 148?150.

[10] 何瑜.Flotherm在电子设备热分析的应用[J].电子质量，2008（1）：128?130.

[11] 谢德仁.电子设备热设计[M].南京：东南大学出版社，1989.

[12] 马良栋，张吉礼.不同旋转轴对矩形通道内湍流与换热影响研究[J].大连理工大学学报，2010，50（6）：48?50.